setcap vs. LD_PRELOAD

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在Linux中，一个进程拉起另一个进程的流程大致如下：

graph LR;
F[parent process] --> A[start]
A --fork--> B[child]
A --> C[wait]
B --exec--> D[new process]
D --> E[end]
C --> E

最常见的就是通过shell终端执行命令。此场景下，/bin/bash就是这个parent process，而要执行的那个命令就是new process。
Linux有一些特性，可以使得创建出的进程比拉起的进程权限高。例如可执行文件配置了set-user-ID位，则拉起的进程就是root权限，而其父进程有可能是普通用户权限。如果可执行文件配置了file capability，则创建出的进程就具备了某些capability，如果父进程没有这些capability，则这也是一种权限放大的场景。
当发生这种权限放大的场景时，Linux的安全特性要求，此时子进程中的某些敏感环境变量会被清空，例如：LD_PRELOAD,LD_LIBRARY_PATH。由于这些环境变量都是从父进程继承过来的，如果不清空，则表明会使用高权限级别执行这些环境变量指定的可执行代码。

LD_LIBRARY_PATH

参考文献[1]，ld.so搜索动态库的顺序如下：

  1. DT_PATH指定的库文件（deprecated）
  2. LD_LIBRARY_PATH指定的库文件
  3. DT_RUNPATH指定的库文件
  4. /etc/ld.so.cache这个二进制文件指定的库文件，该文件通过ldconfig命令生成
  5. In the default path /lib, and then /usr/lib. (On some 64-bit architectures, the default paths for 64-bit shared objects are /lib64, and then /usr/lib64.) If the binary was linked with the -z nodeflib linker option, this step is skipped.

所以针对LD_LIBRARY_PATH，除了第二条的方法失效，其他的都可以用。

LD_PRELOAD

那针对LD_PRELOAD，是不是就没法用呢？其实也不是。
在没有setcap以及set-user-ID的情况下，如果ld.so需要预加载一个库文件，指定方法在文献[1]中同样有描述：

  1. The LD_PRELOAD environment variable.
  2. The --preload command-line option when invoking the dynamic linker directly.
  3. The /etc/ld.so.preload file.

在secure-execution模式下，方法2和方法3均不受影响。方法1也仍然可以使用。但是需要一些特殊的设置，在[1]中也有描述。

In secure-execution mode, preload pathnames containing slashes are ignored. Furthermore, shared objects are preloaded only from the standard search directories and only if they have set-user-ID mode bit enabled (which is not typical).

综上，需要3点配置：

  • LD_PRELOAD环境变量指定的库文件不能包含斜线’/‘
  • 库文件只会从标准路径下加载。这里标准路径可以参考LD_LIBRARY_PATH中的描述。注意，此时ld.so只会搜索标准路径，不会搜索通过其他手段配置的路径（如上一节描述的）。
  • 库文件必须使能了set-user-id位

示例代码

代码目录树：

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[ben@localhost test]$ tree .
.
├── lib.c
├── libtest.so
├── main
├── main.c
├── test
└── test.c

main.c生成main可执行程序，test.c生成test可执行程序，lib.c生成libtest.so。
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// main.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main()
{
        pid_t pid = fork();
        if (pid == 0) {
                char *envp[] = {
                        "LD_PRELOAD=libtest.so",
                        // "LD_PRELOAD=./libtest.so",
                        NULL
                };
                char *argv[] = {
                        "test",
                        NULL
                };
                int err = execve("./test", argv, envp);
        }
        else {
                int status;
                wait(&status);
        }
        return 0;
}

// test.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main ()
{
        const char *preload = getenv("LD_PRELOAD");
        printf("LD_PRELOAD = %s\n", preload);
        return 0;
}

// lib.c
#include <stdio.h>

static void func(void) __attribute__((constructor));
void func(void)
{
        printf("I'm libtest.so loaded\n");
}

在test可执行程序是普通的二进制时，输出为
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[ben@localhost test]$ ./main
I'm libtest.so loaded
LD_PRELOAD = ./libtest.so

当test配置了capability以后：
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[ben@localhost test]$ sudo setcap cap_net_admin,cap_net_raw=eip ./test
[ben@localhost test]$ ./main
LD_PRELOAD = (null)

可见LD_PRELOAD指定libtest.so未被加载，且LD_PRELOAD环境变量被清空了。

LD_PRELOAD不含斜线

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[ben@localhost test]$ ./main
ERROR: ld.so: object 'libtest.so' from LD_PRELOAD cannot be preloaded (cannot open shared object file): ignored.
LD_PRELOAD = (null)

LD_PRELOAD仍然被清空了，但ld.so似乎尝试去加载libtest.so了，但是没找着。

将libtest.so放入标准路径

如果没有配置set-user-id位：

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[ben@localhost test]$ ./main
ERROR: ld.so: object 'libtest.so' from LD_PRELOAD cannot be preloaded (cannot open shared object file): ignored.
LD_PRELOAD = (null)

仍然提示找不到。如果设置了set-user-id位：
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[ben@localhost test]$ sudo chmod a+s /usr/lib64/libtest.so 
[ben@localhost test]$ ./main
I'm libtest.so loaded
LD_PRELOAD = (null)

在满足上一节提到的3个条件时，libteso.so就可以正常加载了。
看看如果放到/usr/lib下面会怎么样？
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[ben@localhost test]$ ls /usr/lib/libtest.so -l
-rwsr-sr-x. 1 root root 8208 1月  24 19:48 /usr/lib/libtest.so
[ben@localhost test]$ ./main
ERROR: ld.so: object 'libtest.so' from LD_PRELOAD cannot be preloaded (cannot open shared object file): ignored.
LD_PRELOAD = (null)

看看还是一样找不到。可见在x64平台上，/usr/lib并非标准路径，而/usr/lib64以及/lib64才是。

参考文献

[1] ld.so(8) — Linux manual page
[2] Stackoverflow - Does using linux capabilities disables LD_PRELOAD